斜拉橋主塔防腐涂裝防護棚的設計和施工

葉 鑫，劉 淵，邱業亮

(1.中交二航局建筑科技有限公司，武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430040；3.汕頭市礐石大橋有限公司，汕頭 515000)

斜拉橋橋塔常采用鋼筋混凝土結構或預應力混凝土結構，其受力復雜，所處環境惡劣，常年經受風吹、日曬和雨淋，加快了混凝土的劣化和鋼筋的銹蝕速度，嚴重影響了橋塔結構的耐久性和美觀[1]。由于此類橋梁一般交通流量較大，進行防腐涂裝修復不可避免地需要邊通車邊施工，而高空作業會對下方通行的車輛帶來巨大的安全隱患，因此需要進行防護棚的搭設，以避免安全事故的發生。

1 工程概況

1.1 項目概況

礐石大橋主橋為雙塔雙索面斜拉橋。跨徑組合為2×47+100+518+100+2×47=906 m。斜拉橋主梁在主跨和100 m邊跨采用鋼箱梁，在兩邊各兩孔47 m跨范圍內采用預應力混凝土箱梁，主梁為“混合型”結構。斜拉橋塔為鋼筋混凝土鉆石形結構，塔身全高為142.5 m，底部為高樁承合結構16根2.5 m鉆孔灌注柱基礎。主橋沿主塔兩側各有20對斜拉索、索面略向內側，最大通航凈高為38 m。橫截面按雙向六車道布置，全寬為30.35 m。

1.2 防護棚概況

于橋面以上5.5 m處以鋼管柱、321貝雷片、雙拼工字鋼搭設一個安全防護棚，防護范圍為30.5 m×21 m。結構形式如下：

1)基礎

采用C30混凝土條形基礎，設置于防撞護欄外側，基礎頂面預埋1 cm厚鋼板；塔柱兩側基礎之間縱向進行連接固定。

2)立柱

立柱采用φ426×6 mm鋼管柱，底部與基礎預埋鋼板焊接固定，并采用加筋板進行加強，立柱內側與防撞護欄固定，外側斜撐與人行道護欄立柱底部焊接固定。

3)縱向主梁

縱向主分配梁采用雙拼工25型鋼嵌入鋼管立柱里面，并通過連接板進行焊接固定。

4)橫向主梁

采用321標準貝雷梁。貝雷梁搭在縱向主梁上，并通過U型扣進行固定；每榀貝雷梁之間在跨中處用[10型鋼縱向連接。

5)小縱梁

采用12 m工12型鋼均布在貝雷梁上，間距為75 cm，通過M20螺栓及鋼板固定在貝雷梁上；其中跨主塔中橫梁部分采用6 m的工12型鋼對接焊，形成12 m工字鋼，并在兩側腹板處焊接連接板。

6)施工平臺

平臺中間部分鋪花紋鋼板，兩側鋪鋼板網[2]。安全護欄采用φ48腳手管，壁厚3.5 mm，間距2 m，滿掛安全防護網，防護網高1.2 m。

防護棚立面布置圖如圖1所示。

2 防護棚設計

2.1 防護棚設計

為保證主塔涂裝及塔字施工的安全，在主塔正下方搭設防護棚架[3]。根據《高處作業分級》(GB3608—2008)，H>30 m的可能墜落范圍半徑為6 m，最小防護長度為：6 m(可能墜落范圍半徑)+0.75(吊籃寬度)+7.5(主塔寬度)+0.75(吊籃寬度)+6 m(可能墜落范圍半徑)=21 m。根據現場情況，由于燈柱及原橋面STC混凝土的影響，塔側三根立柱的間距布置為5.4 m+3.6 m。防護棚架總長11+8.5+11=30.5 m。

2.2 荷載取值

1)防護棚自重：防護棚的主要材料為鋼材，7.85×103 kg/m3；

2)花紋鋼板：厚度3 mm，按24 kg/m2計算；

3)施工人員荷載：q1=0.15 kN/m2；

4)塔字荷載：塔字采用集中荷載，分布在中間2根縱梁上，單元荷載為0.54 kN/m；

5)其他材料堆載：除吊籃外，其他機械設備禁止放置在防護棚架上，靠近主塔的兩榀貝雷梁之間材料設備重量不超過2 t，均布荷載為：q2=0.2 kN/m2；

6)風荷載:參照《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012);

7)偶然荷載：高空墜物

高空墜物集中力按10 kg考慮，墜落高度為132 m，取作用到棚架上的集中力q5=2.54 kN/m2；作用于塔柱兩側跨中3 m×5 m的花紋鋼板上。

2.3 荷載組合

1)結構應力計算工況：1.2棚架自重+1.2花紋鋼板恒載+1.4塔字荷載+1.4施工人員荷載+1.4材料堆載+1.4高空墜物荷載。

2)橫向抗風穩定性分析：靜陣風荷載參照《公路橋梁抗風設計規范》。

2.4 受力驗算

1)支點反力

荷載組合工況下，支點反力如圖2所示。其中，最大支反力為靠近塔柱的立柱，其值為104.7 kN。

2)應力

立柱、縱向主梁、橫向主梁和小縱梁在組合工況下的應力見表1，可以看出，計算應力均滿足要求。

表1 組合工況防護棚各構件應力

3)剛度驗算

結構豎直方向的最大位移為貝雷梁跨中位置，為6.8 mm

4)屈曲穩定性

(1)整體穩定性分析

一階屈曲模態的荷載安全系數為19.4>4,屈曲穩定性滿足要求。

(2)立柱壓桿穩定性分析

采用一端固定，另一端自由。根據歐拉公式，細長壓桿的臨界力為3 186 kN，棚架立柱最大壓力為104.6 kN，遠小于φ426×6 mm鋼管立柱壓桿的臨界力，壓桿穩定性滿足要求。

5)側向抗風穩定性

上部結構自重作用下的彎矩MG為10 464 kN·m，風荷載作用下的彎矩MF為413.82 kN·m，MG/MF=25.3≥2.5，結構抗風穩定性滿足要求。

6)高空墜物花紋鋼板局部受力分析

由于縱向工字鋼布置間距為75 cm，花紋鋼板為單向受力板[4]，取1 m進行分析，在高空墜物2.5 kN/m2的荷載及自重荷載作用下，花紋鋼板的最大應力為1.9 MPa，變形量非常小,滿足規范要求。

3 防護棚施工

3.1 施工準備

1)技術準備

(1)對主塔現場的條件及其相關資料進行調查。

(2)進行防護棚架設計方案交底，并組織進行技術及安全交底。

2)現場準備

(1)制定相關的交通管制措施，劃定警戒區和確定施工時間。

(2)安裝吊裝過程中注意安全防護，防止吊裝過程中出現安全事故；安裝過程中設立吊裝警戒區，禁止非安裝施工和管理人員以外的所有人員進入。

(3)配備施工用電、用水的條件及消防器材。

3.2 防護棚安裝

1)鋼管立柱及混凝土預制塊安裝。混凝土條形基礎設置在材料加工場地預制，施工時不影響交通行車。在加工場地制作2 m×0.7 m×0.5 m以及1 m×0.7 m×0.5 m的C30混凝土預制件共計32個。預制件中預埋4根鋼筋和一塊0.6 m×0.6 m的鋼板。鋼管立柱的制作，按照設計圖紙將耳板焊接在立柱圓管上。將提前加工好的立柱運至現場，采用隨車吊將其焊接在C30混凝土預制塊上，采用二級角焊縫，焊腳尺寸為6 mm，立柱與預埋鋼板通過1 cm厚加筋板加強。立柱安裝需保證其垂直度；立柱安裝好后，及時與主橋防撞護欄及外側人行道護欄立柱焊接固定，防止其傾倒。

2)在鋼管立柱頂部架設分配梁。將雙拼工25縱向主分配梁采用隨車吊吊裝安裝，雙拼工字鋼嵌入立柱鋼管內，并進行焊接固定。

3)架設貝雷梁、布設小分配梁及菱形花紋鋼板；采用全幅間斷封閉交通，進行施工。綜合考慮棚架橫梁受力(盡可能使橫梁正負彎矩接近)、鋼絲繩受力及鋼絲繩等因素，吊點設在距離橫梁跨中1/3處。每片橫梁設4個吊點吊裝。

3.3 防護棚拆除

在主塔涂裝及中橫梁塔字安裝完成后，即進行拆除施工。防護棚的拆除施工，原則上是從塔設標高位置向下進行。拆除前，施工班組應對防護棚進行全面檢查，確定無嚴重變形的情況后，方可進行拆除施工，如遇到強風、雨雪等特殊氣候，不得進行防護棚架的拆除施工。實施拆除作業班組進入現場后，先進行檢查加固松動部位，清除棚頂垃圾及各種物體，清理時現場有專人看護，防止掉物傷人[5]。其構件吊裝拆除時的吊點及吊幅半徑布置與安裝吊點布置一致。

拆除注意事項：

1)拆除作業按照防護棚安裝的反順序進行。

2)在棚體的拆除過程中，絕不允許分立面拆除或上下兩步同時拆除。

3)拆除時要一步一清。所有桿件、扣件在拆除前分離，不允許桿件上附著扣件。

4)所有花紋鋼板，應自外向里豎立搬運，防止自里向外翻起后，面上垃圾物件直接從高處墜落傷人。

4 結 論

a.防護棚受力驗算結果表明，防護棚架的設計是安全可靠的，其支反力、應力、剛度和穩定性均滿足設計和規范要求。

b.主塔防腐施工時，防護棚可以有效攔截高空墜物，避免安全事故的發生，本項目的順利實施為今后類似的工程項目提供了寶貴經驗，具有積極的實踐意義。

c.防護棚安裝完后不影響橋面正常通行，防護效果非常可靠，外形也比較美觀，防護棚所有構件均可在后場加工成型，不占用橋面場地，現場吊裝，施工速度快，周期短，安全便捷。

d.隨著我國公路建設進入高速發展階段，大跨徑的斜拉橋和懸索橋越來越多，可以展望，在纜索結構的管養和更換中，防護棚也將有著舉足輕重的作用。